上海生科院科研人员克隆棉纤维伸长关键基因

人民网上海11月21日电（记者姜泓冰）中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所陈晓亚研究组在国际学术期刊《Nature Communications》上发表了题为“异形框转录因子GhHOX3控制棉纤维生长”的研究论文，克隆鉴定了控制棉纤维伸长的关键基因。

研究组发现GhHOX3编码一个转录因子，通过与赤霉素途径的负调控因子DELLA蛋白结合响应激素信号，促进棉纤维细胞伸长。该研究首次揭示了植物激素赤霉素在纤维发育过程中的调控机理，获得了具有重要育种价值的棉纤维伸长基因，为进一步解析植物细胞伸长的分子机理、克隆棉纤维发育新基因打下了基础，也为棉纤维品质改良提供了靶标基因。

棉纤维是最受消费者欢迎的纺织材料，全世界超过80个国家种植棉花。中国是最大的原棉生产国和消费国，直接从事棉纺及相关行业的人员达到2000多万，间接就业人员多达1亿。因此，棉花在我国国民经济中具有举足轻重的地位，而棉纤维长度是棉花品质的重要指标，我国优质棉缺乏，每年需进口一百多万吨优质原棉。

棉纤维由棉花种子表皮细胞分化而来，是高等植物中伸长最快、合成纤维素最多的单细胞。棉纤维发育过程可分为分化与突起、迅速伸长、次生壁合成以及脱水成熟4个部分重叠的时期，其中纤维伸长和次生壁合成与品质性状的关系最为密切。然而到目前为止，关于棉纤维发育、尤其是纤维伸长调控的研究还相对较少。

在陈晓亚研究组最新发表的论文中，通过关联分析和遗传定位，研究人员发现了一个含有同源异型框的转录因子GhHOX3与棉纤维伸长相关。在棉花体中提高GhHOX3的表达可以增加棉纤维长度，而抑制该基因表达则可使纤维显著变短。此前，研究组已经发现两个棉花细胞壁松弛蛋白基因对棉纤维发育具有促进作用，此次又证明GhHOX3可以直接结合这两个基因启动子上的顺式元件并激活它们的表达，而细胞壁延展正是棉纤维伸长的必需条件。

上世纪中期开始，小麦、水稻半矮秆新品种在全世界范围内得到大面积的推广应用，使得世界粮食总产在短时间内大幅度提高，正是植物激素“赤霉素”的巨大生物学效应带来了造福全人类的这场“绿色革命”。赤霉素促进植物细胞伸长，但赤霉素促进棉纤维伸长的作用机理以往并不清楚。研究组以GhHOX3为诱饵进行筛选，发现它可与同一类的另一转录因子结合，形成与棉纤维伸长相关的异源二聚体；而赤霉素途径的负调控因子DELLA蛋白则会与该转录因子“竞争”，“抢占”与GhHOX3结合的“先机”，阻碍二聚体的形成。在赤霉素浓度升高时，DELLA蛋白被迅速降解，与之“绑定”的GhHOX3得以“释放”，形成高活性的二聚体，激活下游基因的表达，促进棉纤维伸长。

纤维的伸长是一个复杂的调控过程，为进一步发掘GhHOX3的其他下游基因，研究人员通过高通量测序技术筛选到90个差异表达的功能基因，从而为棉纤维品质改良提供了一批重要候选基因。

博士生单淳敏为本研究做出了重要贡献，来自南京农业大学、美国爱荷华州立大学及美国德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员参加了部分工作。研究项目得到科技部、中国科学院和国家重大专项的资助。

关键词：棉纤维,基因的表达,关键基因,激素信号,半矮秆,差异表达,生科,赤